(57)【要約】【課題】耐酸化性、耐摩耗性に優れた硬質皮膜について、特に密着性を改善した硬質皮膜被覆部材を提供することである。【解決手段】基体に硬質皮膜を被覆した部材において、該硬質皮膜は、金属元素とＮを有し、該基体の表面はＮ元素富化領域を有し、該Ｎ元素富化領域は該基体の表面から深さ方向に１μｍ以内に形成されていることを特徴とする硬質皮膜被覆部材及び基体表面にＮ元素のイオン注入を行う第１の工程と、硬質皮膜を被覆する第２の工程とから成る製造法である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体に硬質皮膜を被覆した部材において、該硬質皮膜は、金属元素とＮを有し、該基体の表面はＮ元素富化領域を有し、該Ｎ元素富化領域は該基体の表面から深さ方向に１μｍ以内に形成されていることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項２】
請求項１記載の硬質皮膜被覆部材において、該Ｎ元素富化領域のＮ含有量を原子％でＱ値とし、該基体の内部のＮ含有量を原子％でＰ値とした時、Ｑ＞０、Ｐ≧０、０＜（Ｑ−Ｐ）≦１０であることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の硬質皮膜被覆部材において、該Ｎ元素富化領域をＸ線光電子分光分析したとき、３１から３２ｅＶの範囲と、３３から３５ｅＶの範囲とにピークを有することを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項４】
請求項１から２に記載のいずれかの硬質皮膜被覆部材において、該基体は炭化タングステン基超硬合金、サーメット合金、高速度鋼、合金工具鋼の何れかであることを特徴とする硬質皮膜被覆部材。
【請求項５】
基体表面にＮ元素のイオン注入を行う第１の工程と、硬質皮膜を被覆する第２の工程とから成り、該第１の工程において該Ｎ元素富化領域を、深さ方向に１μｍ以内の領域に調整することを特徴とする硬質皮膜被覆部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、イオン注入に関すし、より詳細には、イオン注入により基体表面を強化し、被覆層との密着を強化した硬質皮膜被覆部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
基体表面に窒素をイオン注入する技術が、以下の特許文献１から３に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３０７２８４
【特許文献２】特開平９−１６５２８２号公報
【特許文献３】特開平５−１０５４６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１は、超硬合金材料表面に窒素をイオン注入し、その注入層を表層より５０ｎｍ以上とする技術が開示されている。特許文献２は、超硬合金、サーメット、セラミックス、工具鋼の基材表面に窒素をイオン注入し、表面部分に改質層を形成する技術を開示している。特許文献３は、超硬合金、セラミックスなどの基材の表層内部にイオン注入し、密着性を補助する窒化層を形成する技術を開示している。そこで本願発明の目的は、耐酸化性、耐摩耗性に優れた硬質皮膜について、特に密着性を改善した硬質皮膜被覆部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明の硬質皮膜を被覆した部材において、基体に硬質皮膜を被覆した部材において、該硬質皮膜は、金属元素とＮを有し、該基体の表面はＮ元素富化領域を有し、該Ｎ元素富化領域は該基体の表面から深さ方向に１μｍ以内に形成されていることを特徴とする硬質皮膜被覆部材である。上記構成を採用することにより、耐酸化性、耐摩耗性に優れた硬質皮膜を維持しつつ、硬質皮膜と基体間の密着性が改善され、優れた硬質皮膜被覆部材を提供することができる。
【０００６】
本願発明の硬質皮膜被覆部材において、基体のＮ元素富化領域のＮ含有量を原子％でＱ値とし、該基体の内部のＮ含有量を原子％でＰ値とした時、Ｑ＞０、Ｐ≧０、０＜（Ｑ−Ｐ）≦１０であることが好ましい。また、Ｎ元素富化領域をＸ線光電子分光分析したとき、３１から３２ｅＶの範囲と、３３から３５ｅＶの範囲とにピークを有することが好ましい。硬質皮膜被覆部材の基体は炭化タングステン基超硬合金、サーメット合金、高速度鋼、合金工具鋼の何れかであることが好ましい。より好ましくは、硬質皮膜被覆部材の製造方法において、基体表面にＮ元素のイオン注入を行う第１の工程と、硬質皮膜を被覆する第２の工程とから成り、該第１の工程において該Ｎ元素富化領域を、深さ方向に１μｍ以内の領域に調整する。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明によって、耐酸化性、耐摩耗性に優れた硬質皮膜を維持しつつ、硬質皮膜と基体間の密着性が改善され、優れた硬質皮膜被覆部材と、その製造方法を提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本願発明の硬質皮膜被覆部材は、密着性を改善させるために、例えばイオン注入法を用いて基体表面にあらかじめＮを含有するように調整し、その後、物理蒸着（以下、ＰＶＤと記す。）法等により硬質皮膜を被覆したものである。硬質皮膜直下の基体表面には、Ｎ元素富化領域が基体の表面から深さ方向に１μｍ以内に形成されている必要がある。この理由は、ＰＶＤ法による硬質皮膜被覆の前処理として、あらかじめ超硬合金の基体表面にＮを含有させることで、基体表面近傍の酸化物が除去されるからである。また、基体表面の１部が窒化されることにより、例えばＰＶＤ法によって硬質皮膜が被覆され、この硬質皮膜は４ａ、５ａ、６ａ族、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉから選択される１種以上の金属元素、Ｎと、Ｃ、Ｏから選択される１種以上の非金属元素を有してもよい。例えば、ＰＶＤ法によってＴｉＮやＴｉ（ＣＮ）、（ＴｉＡｌ）Ｎ、（ＴｉＡｌＳｉ）（ＯＮ）などのＮを含む硬質皮膜の結晶が、基体表面近傍の結晶とエピタキシャル関係になりやすい。その結果、基体と硬質皮膜との界面の密着強度が向上する。一方、基体表面に酸化物が存在すると、ＰＶＤ法で被覆するときに印加するバイアス電圧が、有効に作用しない。また絶縁性を有し、被覆対象以外の部分へ放電を発生して、品質上並びに成膜装置に大きな損傷をもたらす。ＰＶＤ法により硬質皮膜を被覆する際の密着性阻害因子の１つには、基体表面に形成される酸化物がある。Ｎ元素富化領域の厚さは、深さ方向の厚さで、少なくとも１ｎｍ以上である。好ましくは１０ｎｍ以上の領域に形成されていることである。これにより、上記効果が有効に作用する。量産製造安定性を考慮すると、確認のしやすい１０ｎｍ以上が好ましい。また、Ｎ元素富化領域の厚さが１μｍを超えて存在する場合、基体表面の靭性が低下する不都合がある。従って、ＰＶＤ法で硬質皮膜を被覆しても密着性は改善されるものの、耐欠損特性が大幅に低下する。そこで、Ｎ元素富化領域は基体の表面から深さ方向に１μｍ以内と設定した。
【０００９】
Ｎ含有量のＰ値、Ｑ値は、Ｑ＞０、Ｐ≧０、０＜（Ｑ−Ｐ）≦１０、であることが好ましい。この理由は、基体表面近傍の機械的強度、靭性を確保するためである。（Ｑ−Ｐ）値が１０を超えて大きいと、基体表面は高硬度化するものの靭性が低下し、その上に硬質膜を被覆しても界面直下が脆化しているために、耐衝撃強度が低下するため不都合である。更に、（Ｑ−Ｐ）＞０．１、であることが好ましい。Ｎ元素富化領域をＸ線光電子分光分析（以下、ＸＰＳ分析と記す。）をしたとき、３１から３２ｅＶの範囲と、３３から３５ｅＶの範囲とにピークを有することが好ましい。この理由は、超硬合金の主成分となるＷＣにＮが注入された場合にＷ（ＣＮ）化合物が形成され、これがピークとして現われるからである。基体は炭化タングステン基超硬合金、サーメット合金、高速度鋼、合金工具鋼の何れかであることが好ましい。この理由は、基体にＮを注入したときに、基体表面近傍にある化合物がＮと結びつき易いからである。しかし、サーメット合金の場合、Ｔｉ（ＣＮ）など１部Ｎが含まれた化合物が使用されている。そこで、他の炭化物であるＷＣ、ＴｉＣ、ＮｂＣ、Ｃｒ２Ｃ３、ＴａＣなどが、更にＮと結びつくことで、被覆される硬質皮膜の密着性が向上する。より好ましくは、ＷＣが主体に製造される超硬合金が望ましい。
【００１０】
基体表面にＮを含有させるには、イオン注入法を用い、減圧下においてＮを含有させることが好ましい。この理由は、Ｎイオン注入を行うことにより、基体表面に圧縮応力が付与され、その直上に、圧縮応力を有するＰＶＤ皮膜の被覆することにより、界面に発生する歪が少なく、密着性が向上するからである。これに対し、未処理の基体表面に、圧縮応力を有するＰＶＤ皮膜を被覆すると、ＰＶＤ皮膜の結晶格子に歪が発生する。この歪のために界面における密着性が改善されない。また、Ｎイオン注入を行うことにより、基体表面の１部が窒化されるため、特にＮを含む硬質皮膜の被覆においては、基体表面の結晶格子縞と硬質皮膜の格子縞とが連続するようになり、密着性が向上する。更に、イオン注入法の検討の結果、Ｎイオンを基体表面に注入することにより、表面の酸素が減る傾向を示すことを見出した。これに対して、例えば基体が超硬合金のとき、Ｎを含有した粉末原料を用いると、基体全体にＮを含有することになってしまう。その結果、基体そのものの靭性が低下する。また、超硬合金を用いた切削工具の激しい使用環境下では、容易にチッピングが発生し、大きな欠損を誘発する。更に、基体表面に軟化層が形成し、基体の塑性変形性や耐摩耗特性が低下する。このほかに鋼の表面処理では窒化処理法がある。しかし、基体表面に酸化物が形成しやすく、ＰＶＤ法による被覆時に悪影響を及ぼすため、不都合である。基体表面にＮイオンを注入するときの印加バイアス電圧は、１ｋｅＶから２００ｋｅＶまでの範囲が望ましい。イオン注入は、一般に１０ｋｅＶ以上のバイアス電圧を印加するが、本願発明では、１ｋｅＶ以上から注入可能である。１ｋｅＶを印加した場合、基体表面に富化されたＮは０．０１％であった。Ｎは分析の難しい元素であるが、２次イオン質量分析を用いることによって、ｐｐｍオーダーでの検出も可能である。極微量のＮ注入でも密着性向上の効果を有するが、量産において汎用的にＮが検出可能になるように５０ｋｅＶ以上で印加することが好ましい。しかし、２００ｋｅＶを超えるバイアス電圧では、Ｎイオンが基体表面に衝突するときのエネルギーが大きくなりすぎる。従って、イオン注入はなされるが、表面に空孔が発生し、表面粗さが悪くなり、その後の硬質皮膜の被覆により、基体表面と硬質皮膜界面に歪が発生し、密着性が低下するので好ましくない。一方、１ｋｅＶ未満でのＮイオン注入では、基体表面にＮがほとんど検出されず、その上に硬質皮膜を被覆すると密着性向上の効果が確認できない。本願発明を実施するにあたり、被覆装置はイオン注入と硬質皮膜が被覆可能な設備が併設されていることが好ましい。しかし、イオン注入を行った後、別の装置で硬質皮膜を被覆しても、同様の効果が得られる。Ｎイオン注入後のイオンプレーティングなどのＰＶＤ法にて硬質皮膜を考慮し、加熱状態でイオン注入を行うことによって、密着性が著しく向上する。従って、イオン注入とその後の硬質皮膜の被覆を同一装置で行う場合は、加熱状態でイオン注入することが望ましい。
【実施例】
【００１１】
イオン注入装置とアークイオンプレーティング（以下、ＡＩＰと記す。）を用いて、処理を行った。まず基体の超硬合金製インサート表面上にＮイオン注入を行った。イオン注入の印加電圧は１００ｋｅＶ、基体温度は２００から４００℃に維持した。イオン注入後、装置から基体を取り出した。そしてＡＩＰ装置内に装填し、（ＴｉＡｌ）Ｎ系硬質皮膜を被覆した。蒸発源には（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜の金属成分である、Ｔｉ、Ａｌを１００ａｔ％とした場合、Ｔｉ：５０ａｔ％、Ａｌ：５０ａｔ％となるようにターゲット組成を調整した。これによって、Ｔｉ−Ａｌ合金ターゲット種が限定されるものではない。また、その他の膜種については、必要な金属ターゲットを作成して使用した。反応ガスは、Ｎ２ガス、ＣＨ４ガス、Ａｒ／Ｏ２混合ガスを使用し、所定量の酸素や炭素が含まれる硬質皮膜を作成した。被覆条件は、基体温度を４００℃、バイアス電圧を、−４０Ｖから−１５０Ｖの範囲で印加した。皮膜は、（ＴｉＡｌ）Ｎ成膜以外に、ＴｉＮや（ＣｒＡｌ）Ｎ、（ＴｉＡｌＳｉ）Ｎ、（ＴｉＡｌＮｂ）Ｎも準備した。皮膜は、密着性が課題となっている皮膜を選定した。上記手法により本発明例１から１０、比較例１１から２０を作成した。表１に本発明例及び比較例、従来例の基体処理条件、皮膜等を示した。
【００１２】
【表１】
2007217771.tif 000002
【００１３】
表１に示す本発明例２と従来例２５について、図１に被覆を行う前の表面状態をＸＰＳ分析した結果を示す。本発明例２は、１２０ｋｅＶでＮイオン注入を施したものであり、一方の従来例２５は未処理品である。図１より、Ｎイオン注入を行った本発明例２は、Ｎイオン注入を行っていない従来例２５と比較してＷ−Ｏ結合を示すピーク強度が低かった。これは、超硬合金表面上の酸素量が低下していると考えられる。本発明例２は、Ｗ−Ｃ結合を示すピークが、３２、３４ｅＶ付近のＷ−Ｎのピークに近い位置にシフトしていることから、Ｎイオン注入を行うことで、超硬合金表面が部分的に窒化されていることがわかった。本発明例２は、ＡＩＰ法によって（ＴｉＡｌＳ）（ＣＮ）被覆を行った。超硬合金と硬質皮膜との界面状態を透過電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと記す。）を用いて観察した結果を図２に示す。図２より、本発明例２は、Ｎイオン注入された超硬合金のＷＣ主体の粒子と、硬質皮膜の結晶との間で、整合性の有ることが確認された。これが密着性の向上に有効であった考えられる。注入されたＮイオンが超硬合金の基体内部方向にどの程度入り込んでいるかを、オージェ分析を用いて調査した。その結果を図３に示す。図３より、本発明例２は、超硬合金表面から内部に向かって０．４μｍの深さまでＮが存在していることがわかった。一方、比較例１８、１９は、バイアス電圧が大きかったため、２．８μｍ、２μｍと深くまでＮイオンが注入されていた。
【００１４】
次に、インサートホーニング部に皮膜剥離の有無を観察することができる切削諸元にて、剥離の有無を確認した。評価は、刃先の欠損又は摩耗等により工具が切削不能となるまで加工を行い、使用不能になったときの切削可能距離を工具寿命とした。表２に切削試験の結果を示した。
（切削諸元）
工具：特殊正面フライス
インサート形状：ＳＥＥ５３タイプ特殊形状
切削方法：ダウンカット方式
被削材形状：巾１００ｍｍ×長さ２５０ｍｍ
被削材：ＳＫＤ６１、硬さ、ＨＲＣ４２、ダイカスト金型用鋼種
切り込み量：２．０ｍｍ
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
１刃送り量：０．２ｍｍ／刃
切削油：なし
【００１５】
【表２】
2007217771.tif 000003
【００１６】
表２より、本発明例１から１０は、硬質皮膜被覆前のＮイオン注入により、切削性能が向上することがわかった。これは、硬質皮膜の密着性が向上しているために、切削加工により溶着現象を引き起こしても皮膜剥離が抑制されたからである。その結果、優れた切削性能が得られた。本発明例は、硬質皮膜の高い密着性が要求される加工において、その効果を発揮することがわかった。本発明例２、５は、６５ｍ、６１ｍの良好な切削寿命を示した。切削初期から欠損時までインサート刃先部における硬質皮膜の剥離がほとんど観察されず、正常摩耗が推移し寿命に至った。本発明例２は、（ＴｉＡｌ）Ｎ皮膜の硬度や潤滑特性を改善させるためにＣを添加し、更に潤滑特性を向上させるためにＳを添加した。溶着が発生する被加工物の加工では、硬質皮膜の密着性が十分に確保できてなければならない。また、潤滑特性も重要である。その点で本発明例２は、硬質皮膜に添加したＣやＳが相乗効果を示し、良好な結果を得ることができた。これは、密着性を改善することで、硬質皮膜の特性が十分に発揮されたからである。超硬合金の表面にＮイオン注入するときに印加するバイアス電圧が、１ｋｅＶから２００ｋｅＶまでの範囲であれば、その上に被覆する硬質皮膜の密着性が十分に確保された。従って、十分に満足の行く性能が引き出された。本発明例１、３、６と比較例１１、１３、１６を比較する。何れも硬質皮膜に略同一組成の（ＴｉＡｌ）Ｎを適用したが、被覆される前のＮイオン注入条件、即ちバイアス電圧によって、切削性能が大きく変化することがわかった。単に硬質皮膜を被覆する前にＮイオンを注入すれば良いのではなく、適正な添加条件が選定されることが非常に重要であった。本願発明は、硬質皮膜の被覆前にＮイオン注入を好適な状態と条件で行い、優れた密着性を得ることができた。密着性が改善されることによって、硬質皮膜の優れた特性を十分に引き出すことが可能となった。一方、比較例、従来例は、硬質皮膜の機械的特性の優れるものもあり、評価初期段階では摩耗が少なかった。しかし、次第に刃先温度が上昇し、溶着現象が発生し始めると、硬質皮膜が大きく剥離し、突発的に欠損に至ってしまった。比較例１８、１９は、バイアス電圧が大きく、２．８μｍ、２μｍと深くまでＮイオンが注入されていたことが原因で、基体表面の靭性が損なわれ、切削評価開始後１分もたたないうちに欠損した。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明例２と従来例２５のＸＰＳ分析結果を示す。
【図２】図２は、本発明例２のＴＥＭ観察結果を示す。
【図３】図３は、本発明例２のオージェ分析結果を示す。
【図１】
2007217771.tif 000004
【図３】
2007217771.tif 000005
【図２】
2007217771.tif 000006